DESENVOLVIMENTO DE UMA TÉCNICA ÓTICA PARA...
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DIEGO EDUARDO COSTA COELHO
DESENVOLVIMENTO DE UMA TÉCNICA
ÓTICA PARA DIGITALIZAÇÃO DO SOLO
APÓS O CONTATO RODADO - SOLO
LAVRAS – MG
2013
DIEGO EDUARDO COSTA COELHO
DESENVOLVIMENTO DE UMA TÉCNICA ÓTICA PARA
DIGITALIZAÇÃO DO SOLO APÓS O CONTATO RODADO – SOLO
Dissertação apresentada à Universidade Federal de Lavras, como parte das exigências do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Sistemas, área de concentração em Modelagem de Sistemas Biológicos, para a obtenção do título de Mestre.
Orientador
Dr. Roberto Alves Braga Junior
Coorientadores
Dr. Nilson Salvador
Dr. Blair Malcolm Mckenzie
LAVRAS – MG
2013
Coelho, Diego Eduardo Costa. Desenvolvimento de uma técnica ótica para digitalização do solo após o contato rodado-solo / Diego Eduardo Costa Coelho. – Lavras: UFLA, 2013.
85 p. : il. Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de Lavras, 2013. Orientador: Roberto Alves Braga Júnior. Bibliografia. 1. Moiré. 2. Deformação. 3. Máquina-solo. 4. Distribuição da
pressão. I. Universidade Federal de Lavras. II. Título.
CDD – 631.51
Ficha Catalográfica Elaborada pela Coordenadoria de Produtos e Serviços da Biblioteca Universitária da UFLA
DIEGO EDUARDO COSTA COELHO
DESENVOLVIMENTO DE UMA TÉCNICA ÓTICA PARA
DIGITALIZAÇÃO DO SOLO APÓS CONTATO RODADO - SOLO
Dissertação apresentada à Universidade Federal de Lavras, como parte das exigências do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Sistemas, área de concentração em Modelagem de Sistemas Biológicos, para a obtenção do título de Mestre.
APROVADA em 17 de setembro de 2013.
Dr. Nilson Salvador UFLA Dr. Tomé Moreira de Souza UFLA Dra. Ellem Waleska Nascimento da Fonseca Contado UFLA Dr. Alexandre de Paula Peres UFLA
Dr. Roberto Alves Braga Junior
Orientador
LAVRAS – MG
2013
AGRADECIMENTOS
Primeiramente, a Deus, por me proporcionar saúde, inteligência e
dedicação ao longo dessa caminhada.
Aos meus queridos pais, Nandinho e Mara, por confiarem em meu
potencial e serem minha fonte incentivadora, principalmente nos momentos
delicados.
Aos meus querido(a)s amigo(a)s, parentes e conhecido(a)s que torceram
fortemente por minha vitória.
Ao meu querido professor orientador e, acima de tudo, meu grande
amigo, Dr. Roberto Alves Braga Jr, pela sábia e dedicada orientação, pelo apoio,
paciência e compreensão em todos os momentos, requisitos que contribuíram
para a conclusão deste trabalho.
Aos meus coorientadores, Dr. Nilson Salvador e Dr. Blair Malcolm
Mckenzie, pela colaboração, amizade e dedicação.
Aos amigos do Laboratório CEDIA, Henrique, Lucas, Ellem, Murilo,
Pauliane, Elisângela, João Notel, Josélia e Antônio, pela amizade e pela ajuda
profissional.
Aos meus irmãos (Júnio e Kléber), pela linda amizade que construímos,
profissionalmente e pessoalmente, durante toda a trajetória.
A todos do corpo docente e de servidores do Departamento de
Engenharia desta universidade.
À Universidade Federal de Lavras e ao Departamento de Engenharia,
pela oportunidade concedida para a realização do mestrado.
À CAPES pelo financiamento e desenvolvimento de todo trabalho.
E a todos que, direta ou indiretamente, contribuíram para a realização
deste trabalho.
RESUMO
O solo é um corpo natural composto por partículas nos estados sólidos, líquidos e gasosos que contém matéria viva e ocupa a maior parte da superfície terrestre. Ele permite o desenvolvimento da agricultura, essencial e insubstituível para a vida humana, e a adoção da mecanização nessas áreas tem sido uma alternativa para obter maiores produtividades para complementar a demanda da população mundial que aumenta a cada dia. No entanto, o uso de instrumentos e equipamentos em zonas agrícolas requer o conhecimento da sua interação com o solo, para evitar possíveis danos na sua estrutura, o que traz problemas de desenvolvimento para as culturas e danos ambientais. Neste contexto, é necessário entender os efeitos que os pneus dos tratores podem causar ao transitar as áreas agrícolas, sendo que a adoção de técnicas não invasivas, de simples implementação e rápidas são potenciais alternativas de análise dos referidos impactos. Este estudo avaliou a técnica de Moiré como uma alternativa aos processos manuais tradicionais, propondo um protocolo de iluminação em campo, e analisando a viabilidade de construção de um digitalizador a laser . Os resultados demonstraram a viabilidade da técnica de moiré em laboratório e no campo, além de confirmar a viabilidade do uso de um sistema laser de digitalização.
Palavras-chave: Moiré. Deformação. Distribuição da pressão.
ABSTRACT
Soil is a natural body composed by parcels in solid, liquid and gaseous that contains living matter and occupy the greater portion of the earth surface. They soil allows the agriculture development, essential and irreplaceable for human life, and the adoption of the mechanization has been important to get higher productivities, therefore supplementing the demand of the global population which increases each day. However, the intense use of machinery and implements in agriculture requires knowledge of their interaction with the soil, in order to avoid the damages possible damage its structure, which brings problems to the-development of the cultures and brings ambient impacts. In this context, it is necessary to understand the effects of the that tires from the tractors can cause during the transit on agricultural areas, where the non-invasive techniques which can also be of-simple and fast implementations are potential tools to analyze those impacts. This study evaluated the Moiré technique as a potential alternative to the traditional manual processes presenting a protocol of digitalization of the soil in field, and presenting the viability of a construction of a laser scanner. The results showed the feasibility of the moiré technique digitizing the soil in the laboratory and in the field, in addition the work validated the use of a proposed laser scanner.
Keywords: Moiré. Deformation. Pressure distribution.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Área de contato entre o pneu e a superfície do solo, para diferentes condições de umidade do solo. Pneu 9-40, 690 kg de carga e pressão de insulflagem de 83 kPa (12,0 psi). Adaptado de Inns (1978) .............................................................................. 22
Figura 2 Área de contato para diferentes calibrações em pneus agrícolas. Adaptado de Arnal Atares e Laguna Branca (1980) ....................... 23
Figura 3 (A) Um rastro com as garras bem definidas, indicando excesso de peso ou lastro. (B) O rastro com as garras pouco definidas, devido à patinagem excessiva e à falta de lastro. (C) O rastro de um trator lastrado corretamente (DEERE, 2013). (D) Vista superior do rastro de um trator com a lastragem correta (MONTEIRO; SILVA, 2009) ....................................................... 24
Figura 4 Exemplificação das franjas de moiré. Adaptado de Costa (2006) ... 26
Figura 5 Arranjo experimental de um scanner laser ..................................... 32
Figura 6 Arranjo experimental do método de calibração da posição de uma calota, para a utilização da técnica de moiré de projeção. Vista superior (A) e vista lateral (B) ............................................. 34
Figura 7 Imagens das grades após o pré-processamento .............................. 35
Figura 8 Arranjo experimental da digitalização da simulação das marcas das garras do pneu do trator no solo, por meio da técnica de moiré de projeção ......................................................................... 37
Figura 9 Imagens das grades após o pré-processamento .............................. 38
Figura 10 Materiais utilizados na execução do experimento. (A) Locação da câmera digital e do projetor, (B) computador utilizado para a projeção das grades ou grids, (C) trator Agrale T-4100, (D) calibrador ..................................................................................... 40
Figura 11 (A) Planta mostrando a posição relativa entre a câmera digital e o projetor, em cm; (B) visão AA’, mostrando a altura em relação ao solo da câmera digital e do projetor, em cm; (C) projeção das grades ou grids no solo ................................................................. 41
Figura 12 Imagens das grades antes do pré-processamento ........................... 42
Figura 13 Arranjo experimental da digitalização da simulação das marcas das garras do pneu do trator no solo através da luz laser ................ 44
Figura 14 Imagens das grades após o pré-processamento, fase 0 pixels ......... 44
Figura 15 Projeção das grades sobre a calota (A), objeto recuperado (B), gráfico em pixels da calota (C) e digitalização da calota (D) ......... 46
Figura 16 Deformação da calota referente ao aspecto original ....................... 49
Figura 17 Apresenta as digitalizações do pedaço de madeira e do solo .......... 50
Figura 18 Apresenta o objeto recuperado da calota (A); em (B), o objeto recuperado do solo deformado; em (C), o gráfico da calota e em (D), o gráfico do solo deformado pelo pneu do trator com calibração normal ......................................................................... 53
Figura 19 Modelo digital de elevação de uma calota para a calibração normal do trator Agrale T-4100 .................................................... 54
Figura 20 Modelo digital de elevação do solo deformado pelo trator Agrale T-4100 com calibração normal ..................................................... 54
Figura 21 (A) Seleção da área do objeto recuperado para a análise dos dados do trator Agrale T-4100 com a calibração recomendada pelo fabricante; (B) histograma mostrando a frequência de cada tom da escala de cinza para o trator Agrale T-4100, com a calibração recomendada pelo fabricante ........................................ 55
Figura 22 Apresenta o objeto recuperado da calota (A); em (B), o objeto recuperado do solo deformado; em (C), o gráfico da calota e em (D), o gráfico do solo deformado pelo pneu do trator com calibração excessiva ..................................................................... 56
Figura 23 Modelo digital de elevação de uma calota para a calibração excessiva do trator Agrale T-4100 ................................................ 57
Figura 24 Modelo digital de elevação do trator Agrale T-4100 com calibração excessiva, mostrando o fenômeno de power hop .......... 58
Figura 25 (A) Região dos dados selecionados no objeto recuperado; 25 (B) histograma mostrando a frequência dos diferentes tons de cinza para o trator Agrale com calibração excessiva ............................... 58
Figura 26 Apresenta o objeto recuperado da calota (A); em (B), o objeto recuperado do solo deformado; em (C), o gráfico da calota e em (D), o gráfico do solo deformado pelo pneu do trator com calibração excessiva ..................................................................... 60
Figura 27 Modelo digital de elevação de uma calota para a calibração insuficiente do trator Agrale T-4100 ............................................. 61
Figura 28 Modelo digital de elevação do trator Agrale T-4100 com calibração insuficiente, destacando, na região externa do pneu, o fenômeno de power hop e, na região interna do pneu, uma concentração excessiva da pressão de apoio .................................. 62
Figura 29 (A) Região selecionada para a análise dos dados; 29 (B) histograma para o trator Agrale com pressões de 117,2 kPa (12,0 psi) e 55,2 kPa (7,0 psi) no pneus dianteiros e traseiros do lado direito do trator ............................................................................. 63
Figura 30 Curva mostrando como foi a variação do desvio padrão com a pressão de inflação dos rodados traseiros ...................................... 64
Figura 31 Apresenta em (A), a projeção das linhas laser sobre o pedaço de madeira; em (B), a projeção das linhas laser sobre o solo
deformado; em (C), o objeto recuperado de um pedaço de madeira; em (D), o gráfico do pedaço de madeira; em (E), a digitalização do pedaço de madeira e, em (F), a digitalização por um scanner laser do solo deformado ............................................. 65
Figura 32 Digitalização de uma calota na posição 01, conforme o arranjo experimental ................................................................................. 75
Figura 33 Digitalização de uma calota na posição 02, conforme o arranjo experimental ................................................................................. 76
Figura 34 Digitalização de uma calota na posição 03, conforme o arranjo experimental ................................................................................. 77
Figura 35 Digitalização de uma calota na posição 04, conforme o arranjo experimental ................................................................................. 78
LISTA DE TABELA
Tabela 1 Fatores de distribuição (%) de peso do trator na condição estática recomendada, para diferentes configurações ..................... 20
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................ 13
2 OBJETIVOS ..................................................................................... 15
2.1 Geral ................................................................................................. 15
2.2 Específicos ........................................................................................ 15
3 REFERENCIAL TEÓRICO ............................................................ 16
3.1 Considerações gerais ........................................................................ 16
3.2 Solos .................................................................................................. 16
3.3 Agricultura ....................................................................................... 17
3.4 Máquinas agrícolas .......................................................................... 18
3.5 Distribuição da carga do trator no solo ........................................... 19
3.6 Rodados pneumáticos e pressão de inflação .................................... 20
3.7 Efeito do lastreamento no formato do rastro deixado pelas rodas de tração ........................................................................................... 24
3.8 Power hop (“galope”) ........................................................................ 25
3.9 Técnicas tradicionais de estudo e monitoramento da ação do contato dos pneus das máquinas agrícolas com o solo .................... 25
3.10 A técnica de moiré ............................................................................ 25
3.11 Scanner laser .................................................................................... 28
3.11.1 Funcionamento e medições de um laser scanner ............................. 29
3.11.2 Características do sistema laser scanner ......................................... 29
3.11.3 Posicionamento dos alvos (pontos atingidos) ................................... 30
3.11.4 Áreas de aplicações do scanner laser ............................................... 30
3.11.5 Representação de um scanner laser ................................................. 31
4 MATERIAL E MÉTODOS ............................................................. 33
4.1 Calibração em laboratório da técnica de digitalização ................... 33
4.1.1 Pré-processamento ........................................................................... 34
4.1.2 Processamento .................................................................................. 35
4.2 Teste em laboratório da técnica de digitalização com simulação em caixa de solo com luz não estruturada ....................................... 36
4.2.1 Pré-processamento ........................................................................... 37
4.2.2 Processamento .................................................................................. 38
4.3 Teste em campo, com a luz não estruturada, para avaliar a distribuição de carga no solo ............................................................ 39
4.3.1 Arranjo experimental ....................................................................... 40
4.3.2 Pré-processamento ........................................................................... 42
4.3.3 Processamento .................................................................................. 42
4.4 Teste em laboratório com luz estruturada ....................................... 43
4.4.1 Pré-processamento ........................................................................... 44
4.4.2 Processamento .................................................................................. 45
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES .................................................... 46
5.1 Calibração da posição de uma semiesfera para a utilização da técnica de Moiré de projeção ........................................................... 46
5.2 Digitalização da simulação das marcas das garras do pneu do trator no solo por meio da técnica de moiré de projeção ................ 50
5.3 Análise qualitativa e quantitativa da distribuição da carga do trator no solo, utilizando a técnica de moiré .................................... 52
5.3.1 Calibração normal ............................................................................ 52
5.3.2 Calibração excessiva ......................................................................... 55
5.3.3 Calibração insuficiente ..................................................................... 59
5.3.4 Comparação entre as diferentes calibrações ................................... 63
5.4 Digitalização da simulação das marcas das garras do pneu do trator no solo por meio da luz laser ................................................. 64
6 CONCLUSÃO .................................................................................. 68
REFERÊNCIAS ............................................................................... 69
ANEXOS........................................................................................... 75
13
1 INTRODUÇÃO
O solo é uma coleção de corpos naturais, constituídos por partes sólidas,
líquidas e gasosas, tridimensionais, formadas por materiais minerais e orgânicos,
contendo matéria viva, ocupando a maior porção do manto superficial das
extensões continentais do planeta e proporcionando o desenvolvimento da
agricultura, essencial e insubstituível à vida humana.
A agricultura é, historicamente, uma das principais bases da economia
do Brasil, desde os primórdios da colonização até o século XXI, evoluindo das
extensas monoculturas para a diversificação da produção.
Em se tratando de agricultura, deve-se destacar a utilização da
mecanização agrícola, que visa aumentar a produtividade agropecuária,
substituindo o trabalho árduo manual, além de garantir maior eficiência na
produção, reduzindo o preço de cultivo dos produtos. A utilização de máquinas
na agricultura exige o conhecimento pleno do seu funcionamento, incluindo a
seleção de máquinas e equipamentos; a constituição, o uso, as regulagens e a
manutenção das máquinas e equipamentos para o manejo físico dos solos, assim
como a compatibilidade do trabalho máquina-solo.
A mecanização agrícola mudou a forma como o homem trabalha no
campo, garantindo maior produção de alimentos. Todavia, são inevitáveis os
impactos causados ao solo e, por consequência, ao meio ambiente, quando as
máquinas e os implementos agrícolas são utilizados de forma inadequada ou,
mesmo, de forma intensiva.
Sendo assim, vários estudos têm sido desenvolvidos para buscar novas
técnicas e conhecimentos, visando entender os efeitos que os pneus dos tratores
podem provocar ao solo, quando transitam nas áreas agrícolas. Este tema tem
despertado grande interesse, abrindo possibilidades para técnicas ópticas na
análise do perfil do solo, visto que as mesmas se apresentam como uma
14
alternativa aos métodos tradicionais que são, geralmente, manuais e exigem
grande consumo de tempo e de mão de obra.
Com isso, este trabalho foi realizado com o objetivo de avaliar o uso da
técnica de moiré de projeção, com luz não estruturada e estruturada, para estudar
as deformações causadas pelos pneus dos tratores agrícolas no solo, quando
operado a diferentes pressões.
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2 OBJETIVOS
2.1 Geral
Analisar a viabilidade da técnica de moiré, como técnica ótica para
digitalização do solo após contato rodado-solo.
2.2 Específicos
a) calibração em laboratório da técnica de digitalização;
b) teste em laboratório da técnica de digitalização com simulação em
caixa de solo com luz não estruturada;
c) teste em campo com a luz não estruturada, para avaliar a distribuição
de carga no solo;
d) teste em laboratório com luz estruturada.
16
3 REFERENCIAL TEÓRICO
3.1 Considerações gerais
A agricultura é de grande importância para a vida humana e, com o
aumento da população, surgiram pressões para os avanços na produção. Assim,
para atender a essa crescente demanda, as operações que envolvem as culturas
passaram a ser cada vez mais mecanizadas (NUNES, 2013).
Segundo Flores (2008), nota-se que, atualmente, são realizados estudos
direcionados para um aumento constante de implantações de sistemas
tecnológicos nos maquinários e gerenciamento de propriedades rurais, ofertando,
dessa maneira, melhores resultados na produção, na quantidade e na qualidade.
As máquinas agrícolas estão sendo utilizadas de forma cada vez mais
intensiva, otimizando as operações, aumentando a capacidade operacional,
reduzindo a mão de obra e viabilizando processos (VIAN; ANDRADE
JÚNIOR, 2010).
Em contrapartida, a interação solo-máquina provoca alterações na
estrutura do solo, fato que influencia o desenvolvimento das culturas e interfere
nas bases do desenvolvimento sustentável, abrindo possibilidades para novos
estudos e técnicas, a fim de entender o fenômeno em questão (ZORATTO,
2006).
3.2 Solos
O solo constitui um sistema muito dinâmico, organizado e representa um excelente meio para a sobrevivência, crescimento e proliferação de uma variedade de organismos, representado por componentes macroscópicos e microscópicos da flora e fauna terrestres (SIQUEIRA, 1993, p. 3).
17
O solo é um recurso básico que suporta toda a cobertura vegetal da terra,
sem a qual os seres vivos não poderiam existir. Nessa cobertura, incluem-se não
só as culturas, como também todos os tipos de árvores, gramíneas, raízes e
herbáceas que podem ser utilizadas pelo homem, abrangendo uma vasta área da
superfície do globo e sendo uma das maiores fontes de energia para o grande
drama da vida que, geração após geração de homens, plantas e animais, atua na
terra (BERTONI; LOMBARDI NETO, 2010).
A redução da qualidade do solo pode ser devido a causas naturais ou
induzidas pelo homem e a degradação da terra pode ser entendida como o
resultado de qualquer ação que a torne menos utilizável em benefício dos seres
humanos. A qualidade do solo é definida por valores relativos à sua capacidade
de cumprir uma função específica e pode ser determinada para diferentes
escalas, como campo, propriedade agrícola, ecossistema e região (LEPSCH et
al., 1991).
3.3 Agricultura
Durante muitos séculos, o homem viveu da coleta de frutos e produtos
de animais e plantas silvestres. À medida que a raça humana proliferou no
planeta, tornaram-se escassos esses meios de sobrevivência, e o homem,
preocupado com sua subsistência futura, procurou cultivar as plantas e
domesticar os animais, aumentando seu interesse pelos recursos naturais e pela
arte de agricultar. Essa arte evoluiu para a agricultura, que tem como plataforma
operacional o solo, que é responsável pela produção de alimentos, madeiras,
fibras, energia e outros bens, que sustentam, de maneira direta ou indireta, a vida
no planeta (SIQUEIRA, 1998).
A crescente população, a demanda por alimentos e matérias-primas
industriais e a aglomeração nas cidades forçaram o desenvolvimento da
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agricultura que, deixando de ser uma atividade extrativista, passou a ser
considerada uma indústria, operando em um ambiente ecológico criado pelos
agricultores. A base e a sustentação dessa indústria é o solo, que representa,
juntamente com a água, o principal recurso natural para a existência humana. Ele
é de importância fundamental porque é fisicamente limitado e, por ser objeto de
propriedade e de disputa, sua exploração está relacionada a vários aspectos
culturais das civilizações e a problemas sócio-econômicos e ambientais vividos
na atualidade (SIQUEIRA, 1998).
Devido à grande demanda por alimentos e à substituição da mão de
obra, as máquinas agrícolas implementadas com novas tecnologias são
solicitadas e desenvolvidas, com o passar dos anos, a fim de suprir a necessidade
alimentar decorrente do crescimento populacional. Porém, se conduzidas de
forma inadequada, elas podem causar sérios danos ao solo e ao meio ambiente
(VIAN; ANDRADE JÚNIOR, 2010).
3.4 Máquinas agrícolas
O surgimento de máquinas e de implementos para a agricultura mudou
definitivamente a trajetória das técnicas de produção e a oferta de produtos
agrícolas no mundo, assim como a necessidade de envolvimento de mão de obra
na atividade agrícola. Isso porque os aumentos de produtividade levaram à
substituição do trabalho do homem, possibilitando o acesso a novas e melhores
práticas de produção (VIAN; ANDRADE JÚNIOR, 2010).
Como principal fonte de potência na agricultura, o trator é utilizado, em
conjunto com diversos equipamentos, na realização de várias tarefas, desde o
preparo do solo, a semeadura e o transporte, dentre outras. Segundo Mialhe
(1980), o trator agrícola é uma máquina autopropelida provida de meios que,
além de lhe conferirem apoio estável sobre uma superfície horizontal e
19
impenetrável, capacitam-no a tracionar, transportar e fornecer potência mecânica
para movimentar os órgãos ativos de máquinas e de implementos agrícolas, e
equipamentos que utilizam tecnologias cada vez mais avançadas.
A aplicação de cargas dinâmicas por rodados e implementos agrícolas
no solo produz tensões na interface solo/pneu e solo/implemento, em superfície
e em profundidade, respectivamente. Essas tensões deformam as diferentes
camadas do solo, sendo alvo de diversos estudos relacionados à perfilometria
(SILVA et al., 2003).
3.5 Distribuição da carga do trator no solo
A distribuição da carga do trator é função das características do pneu, da
pressão de inflação, da carga em cada roda e das condições do solo. Ao
determinar a distribuição da carga, deve-se conhecer a área de contato da
interface solo-rodado. Porém, a distribuição da carga não é feita de forma
uniforme sobre toda a área de contato (KELLER, 2005).
A distribuição da carga no eixo dianteiro e no eixo traseiro depende da
tração nos eixos, isto é, tração somente no eixo traseiro ou tração nas quatro
rodas, bem como do tipo de acoplamento, como mostrado na Tabela 1.
20
Tabela 1 Fatores de distribuição (%) de peso do trator na condição estática recomendada, para diferentes configurações
Configuração de tração Distribuição de peso (%)
Dianteiro Traseiro
4 X 2, com implemento de tração 25 75
4 X 2, com implemento semimontado 30 70
4 X 2, com implemento montado 35 65
4 X 2, auxiliar 40 60
4 X 4 60 40
Fonte: Corrêa (2003)
3.6 Rodados pneumáticos e pressão de inflação
Os rodados são elementos que se apoiam sobre o solo, suportam o peso
do trator, permitem sua locomoção e direcionamento e têm a função de
promover equilíbrio e esforço tratório (BARBOSA et al., 2005). Para um
funcionamento correto e maior durabilidade dos rodados, os cuidados
compreendem a calibração dos pneus, mantê-los limpos de substâncias estranhas
e evitar a patinagem das rodas (ARNAL ATARES; LAGUNA BRANCA,
1980).
Os pneumáticos ficaram disponíveis comercialmente para o produtor em
1932, nos Estados Unidos, para substituir as rodas metálicas, que tinham alta
capacidade de tração, inclusive em terrenos escorregadios. Porém, com a
calibração correta dos pneus, de modo a se conseguir uma grande superfície de
aderência, sua capacidade de tração se torna próxima da capacidade de tração
das rodas metálicas com garras, com a vantagem de utilização para transporte
em estradas e com a capacidade de absorção dos impactos em terrenos
21
irregulares, gerando maior conforto para o tratorista (ORTIZ-CANAVATE;
HERNANZ, 1989).
Os pneus agrícolas são projetados para serem utilizados em superfícies
relativamente suaves, o que preserva as garras do desgaste rápido e excessivo,
pois, em contato com superfície suave, a banda de rodagem se amolda
totalmente ao solo, impedindo que o desgaste atinja só as garras (SILVEIRA,
1988). Lopes (1996) observou desgastes da banda de rodagem de 0,0028; 0,0049
e 0,0081 mm.km-1, em solos agrícolas, para os níveis de deslizamento de 15%,
30% e 45% respectivamente, enquanto, para pista pavimentada, os desgastes
foram de 0,12; 0,39 e 1,37 mm.km-1, o que comprova que pneus agrícolas não
devem ser utilizados nestas pistas, como os fabricantes de pneus recomendam.
A pressão dos pneus determina fatores importantes, como a capacidade
de carga, que é o peso que o rodado pode suportar a uma dada pressão e o limite
de velocidade, fator este que depende, fundamentalmente, da resistência das
lonas, do número de lonas e do volume de ar contido no pneu, e a capacidade de
tração ou força tangencial que a roda transmite ao solo, que depende da carga
exercida, das dimensões e da pressão dos pneus e do desenho da banda de
rodagem. Em geral, em solos agrícolas, quanto menor a pressão, maior a
capacidade de tração, porém, este valor não deve ficar abaixo de 80 kPa (11,6
psi) para pneus diagonais (ORTIZ-CANAVATE; HERNANZ, 1989).
Com isso, conclui-se que tanto a calibração de pneus como a lastragem
do trator influenciam diretamente e de forma significante o desempenho e o
consumo de combustível do trator (CERAGIOLI et al., 2010). Serrano (2008)
verificou redução de 3% a 5% na capacidade de trabalho e aumento de 10% a
25% no consumo de combustível por hectare, mesmo em condições aceitáveis
de patinagem, quando se utiliza pressão de insuflagem excessiva em um
conjunto trator-grade de discos.
22
Um dos efeitos danosos da mecanização agrícola é a compactação do
solo. Soane et al. (1981) citam que a pressão de inflação, o tamanho do pneu e a
resistência da carcaça determinam a distribuição da força sobre a área de contato
com o solo. Nesta interface, a resistência inicial do solo controla a magnitude e a
distribuição das tensões do solo abaixo do pneu, como mostrado na Figura 1.
Figura 1 Área de contato entre o pneu e a superfície do solo, para diferentes condições de umidade do solo. Pneu 9-40, 690 kg de carga e pressão de insulflagem de 83 kPa (12,0 psi). Adaptado de Inns (1978)
Arnal Atares e Laguna Branca (1980, p. 321-322) explicam os efeitos de
uma má calibração da seguinte forma:
Quando a calibração dos pneus for excessiva acontece perda de tração, aumento na patinagem, aumento do consumo de combustível. As pressões de apoio concentram-se na linha média da banda de rodagem, desgastando rapidamente esta
23
região de pneu. O pneu do trator afunda-se mais no terreno dificultando a locomoção do trator e aumentando a compactação sob a região de interface solo-pneu. Se a calibração dos pneus for insuficiente, a roda e o pneu não ficam solidários entre si e ao deslizar-se um sobre o outro pode danificar ou até mesmo arrancar a válvula do pneu, as lonas de corpo podem romper por flexão excessiva, o raio do rodado diminui e consequentemente diminui a velocidade de avanço, aumentando a possibilidade de pedras cortarem os pneus, promovendo o desgaste rápido na lateral da banda de rodagem devido as pressões de apoio se concentrarem nesta região (ARNAL ATARES; LAGUNA BRANCA, 1980, p. 323).
O comportamento do rodado e a área de contato para diferentes
calibrações estão ilustrados na Figura 2.
Figura 2 Área de contato para diferentes calibrações em pneus agrícolas. Adaptado de Arnal Atares e Laguna Branca (1980)
24
3.7 Efeito do lastreamento no formato do rastro deixado pelas rodas de
tração
O lastreamento é a adição de peso no trator, com o objetivo de reduzir a
perda de tração, aumentar o rendimento operacional e diminuir o desgaste dos
pneus e a patinagem. Uma maneira de identificar o índice de deslizamento é
observando-se o sulco deixado pela roda tratora no solo. Na Figura 3(A)
observam-se as garras do pneu bem definidas no solo, indicando excesso de
lastragem e um baixo índice de deslizamento. Na Figura 3(B), notam-se as
marcas no solo pouco definidas, indicando lastro insuficiente e alto índice de
deslizamento. No rastro mostrado nas Figuras 3(C) e 3(D) percebe-se que
existem sinais de deslizamento no centro do sulco e marcas bem definidas nas
extremidades laterais, indicando a lastragem correta (MONTEIRO; SILVA,
2009).
Figura 3 (A) Um rastro com as garras bem definidas, indicando excesso de peso ou lastro. (B) O rastro com as garras pouco definidas, devido à patinagem excessiva e à falta de lastro. (C) O rastro de um trator lastrado corretamente (DEERE, 2013). (D) Vista superior do rastro de um trator com a lastragem correta (MONTEIRO; SILVA, 2009)
25
3.8 Power hop (“galope”)
Este fenômeno acontece quando rodas de diâmetros diferentes são
colocadas no mesmo eixo, forçando-as a rodar na mesma velocidade angular. O
“galope” gera efeitos de torção no eixo, afeta o sistema de transmissão e
desgasta os pneus (FERREIRA, 1999).
O “galope” ocorre, geralmente, quando os valores de patinagem são
maiores que 12% ou em índices baixos de patinagem, menores que 4%. A
probabilidade de ocorrer “galope” aumenta com o aumento da velocidade de
avanço (DEERE, 2013).
3.9 Técnicas tradicionais de estudo e monitoramento da ação do contato dos
pneus das máquinas agrícolas com o solo
As técnicas tradicionais, como a do rugosímetro de varetas e a de
utilização da gessagem (cal), visam avaliar o perfil do solo, de forma a estudar o
comportamento do mesmo ao ser submetido a algum esforço, como, por
exemplo, o tráfego de uma máquina agrícola. Essas técnicas necessitam do
contato com o material para melhores análises e, nesse contexto, uma técnica
óptica, não invasiva e promissora, ganha espaço na análise da superfície do solo
(CORREA et al., 2012).
3.10 A técnica de moiré
Ao sobrepor dois conjuntos de linhas, é possível perceber algumas
regularidades que formarão um padrão conhecido como franjas de moiré (FM),
nome este que, em francês, designa um tecido de seda importado da antiga
China (SCIAMMARELLA, 1982). Utiliza-se a interação de dois conjuntos de
26
linhas, tecnicamente conhecidos como retículo modelo e retículo de referência,
na obtenção das FM, como mostrado na Figura 4 (ASSUNDI; YUNG, 1991;
COSTA, 2006).
Figura 4 Exemplificação das franjas de moiré. Adaptado de Costa (2006)
Estas propriedades fazem da técnica de moiré (TM) uma alternativa para
se definir perfis, contornos topográficos, formas, relevos e deformações
(COSTA et al., 2008), sem a necessidade de contato com o objeto (GOMES et
al., 2009). A técnica perfilométrica é a mais comumente utilizada, devido à
simplicidade, à rapidez (LINO et al., 2011), aos baixos custos e à relativa
confiabilidade (GOMES et al., 2009).
Moiré é uma técnica óptica que pode determinar a perfilometria dos
objetos (HERTZ et al., 2005) e mostra-se versátil, ágil e de fácil coleta e
manipulação de dados. Destaca-se por ser um método não invasivo, cuja
medição é simples e rápida, sendo uma alternativa para estudos perfilométricos
do solo, como o tráfego de máquinas agrícolas, que pode provocar excesso de
27
carga no solo e possíveis danos ao desenvolvimento de culturas (LINO; DAL
FABBRO, 2004).
No contexto das ciências agrárias, há trabalhos nos quais se estimam a
área superficial de frangos de corte (SILVA, 2007); a topografia de ovos,
estimando a massa da gema, da clara, da casca e de todo o ovo (SILVA et al.,
2011) e também podem ser observadas investigações perfilométricas em
protótipos mecânicos, buscando baixos custos e flexibilidade (GOMES et al.,
2009), além da análise postural de seres humanos (HERTZ et al., 2005) e de
deformações em madeiras (COSTA, 2006), dentre outros.
Dentre outras técnicas consideradas relevantes para a construção da
perfilometria, além da TM, existem a holografia, a interferometria speckle e a
fotoelasticidade clássica (GOMES, 2005).
A TM é de uso simples, quando apresenta boa relação com o material, e
não está sujeita a fatores externos, como pressão e temperatura (GOMES, 2005),
porém, a angulação, o tipo e a quantidade de fontes luminosas influenciam a
qualidade do resultado (HERTZ et al., 2005).
Costa (2006) explica que o efeito de moiré pode ser conseguido de
várias maneiras, como a TM de sombra, que consiste em iluminar uma grade
que interage com a própria sombra projetada no objeto. Já na TM de projeção, o
efeito de moiré é conseguido por meio da projeção de grades periódicas
(MAZZETI FILHO, 2004), subtraindo-se as imagens para a obtenção das franjas
de moiré (LINO, 2002).
A técnica de moiré de projeção permite a construção de modelos digitais
de elevação (MDE) comparando os mesmos retículos, de referência e modelo,
sendo o primeiro sem deformação e o segundo a superfície que se deseja
mapear, projetando grades sobre estas superfícies e sobrepondo-as. Obtêm-se,
como resultado, novamente, as franjas de moiré, que revelam o comportamento
28
da superfície do objeto utilizado na criação de mapas tridimensionais, como o
esforço provocado pelo pneu do trator no solo (MCKENZIE et al., 2012).
Como forma de implementação da técnica, o scanner laser surge para
realizar a varredura da superfície do solo, para possíveis análises e inferências.
3.11 Scanner laser
O sistema de varredura a laser é utilizado de várias maneiras diferentes,
podendo ser em plataformas terrestres (scanner laser terrestre) ou aéreas
(scanner laser aerotransportado), cujo objetivo é obter coordenadas
tridimensionais de pontos em uma superfície (RIBEIRO JÚNIOR, 2011).
O scanner laser é uma ferramenta para o mapeamento de áreas com
geometria complexa, congestionadas ou de difícil acesso e, associada às outras
técnicas convencionais, garante a execução de trabalhos com alta qualidade,
rapidez e precisão. Todos os pontos adquiridos em campo têm coordenadas X, Y
e Z, e podem estar georreferenciados a um sistema de coordenadas. Com essa
nuvem de pontos é possível extrair as informações planimétricas e altimétricas,
gerar superfícies tridimensionais, plantas cadastrais, curvas de nível, perfis
longitudinais, seções transversais e modelar estruturas (GORDON; LICHTI;
STEWART, 2001).
O equipamento destaca-se devido à rapidez da coleta dos pontos, pouca
interferência no local de execução dos serviços, fácil transporte e manuseio, e
qualidade na projeção de linhas percorrendo a área analisada. O scanner laser
tem como desvantagem o alto valor de aquisição, tendo, às vezes, seu uso
limitado a diversos trabalhos. É importante que se desenvolva um equipamento
direcionado ao trabalho em questão, em face da economia, da qualidade e da
praticidade (GORDON; LICHTI; STEWART, 2001).
29
3.11.1 Funcionamento e medições de um laser scanner
As operações de um sistema laser scanner são baseadas na geração e na
emissão de pulsos de laser que são direcionados às superfícies dos objetos,
atingindo-as em vários pontos. Estes objetos refletem os pulsos incidentes e
parte deles volta para o sistema, sem a necessidade do uso de refletores. Com
isso, a distância entre o sensor e o objeto é determinada por meio do intervalo de
tempo entre a emissão e o retorno do pulso (DALMOLIN; SANTOS, 2004).
Dessa forma, é possível registrar vários dados, como intensidade dos
pulsos e intervalo de tempo entre a emissão e a recepção dos mesmos. O
conjunto desses dados tridimensionais é, geralmente, denominado nuvem de
pontos, pois pode ser representado por uma densa concentração de observações
no espaço tridimensional (RIBEIRO JÚNIOR, 2011).
O equipamento trabalha pelo princípio da triangulação de linhas de laser
projetadas na superfície do objeto, no caso deste projeto, o solo compactado
pelas garras dos pneu do trator. Estas linhas são vistas por uma câmera colocada
em um determinado ângulo, de forma que as variações da topografia do solo
podem ser vistas como mudanças de forma da linha de laser. A imagem
capturada contém informações sobre a topografia dos objetos e é processada,
gerando uma nuvem de pontos com as coordenadas X, Y, Z (GORDON;
LICHTI; STEWART, 2001).
3.11.2 Características do sistema laser scanner
Segundo Wutke (2006), a varredura laser apresenta diversas
características importantes, como operação remota; resposta em tempo real; após
o término da varredura do scanner laser já estão à disposição do operador
milhões de pontos com coordenadas conhecidas; fornecimento de informações
30
sobre os objetos, como distância entre peças, dimensões, volumes, verticalidade
de superfícies, e outros. Destacam-se a alta densidade de pontos coletados, a
simplicidade da operação e a flexibilidade. É possível combinar vários modelos
numéricos gerados de diferentes posições, o que permite cobrir quase toda a
superfície visível dos objetos.
3.11.3 Posicionamento dos alvos (pontos atingidos)
De acordo com as coordenadas dos pontos atingidos pelos pulsos laser
se obtém o posicionamento dos mesmos. É possível obter as coordenadas do
objeto, conhecendo-se a distância entre o sensor e ele, e o posicionamento do
sensor por suas coordenadas. Para tal, existem três modos diferentes de
determinar as coordenadas de um objeto, que são o modo de coordenadas
bidimensionais, que é quando o pulso laser percorre uma trajetória horizontal; o
modo de coordenadas bidimensionais, no qual o pulso laser percorre uma
trajetória inclinada em relação à horizontal (ângulo de inclinação conhecido) e o
modo de coordenadas tridimensionais, em que o pulso laser percorre uma
trajetória inclinada em relação aos três eixos do sensor (ângulos de inclinação do
sensor conhecidos) (CENTENO; MITISHITA, 2007).
No presente caso, é utilizado o modo de coordenadas bidimensionais,
dado que o scanner laser empregado utiliza um laser retilíneo que é deslocado
verticalmente sobre o solo, realizando a varredura da superfície em questão.
3.11.4 Áreas de aplicações do scanner laser
Os dados coletados no processo são ideais para serem aplicados em
mapeamentos topográficos, uma vez que apresentam um conjunto de pontos
com suas respectivas coordenadas tridimensionais. Outras finalidades para este
31
sistema, por exemplo, são o planejamento e o desenvolvimento urbano,
processos ecológicos, gerenciamento e manutenção de infraestruturas, e
mapeamento de superfícies (LIMA, 2009), podendo também ser aplicado em
florestas, mineração, transportes, planejamento urbano, entre inúmeras outras
aplicações (LICHTI; PFEIFER; MAAS, 2008).
Associado a diversas técnicas, como por exemplo a técnica de moiré, o
sistema laser aplica-se a vários trabalhos de engenharia agrícola e, nesse
contexto, insere-se a varredura de um solo deformado ao ser trafegado por um
trator agrícola.
3.11.5 Representação de um scanner laser
A estrutura física e computacional do scanner laser é composto por
baterias, câmara digital integrada, coletor, armazenador de dados (notebook ou
tablet), cabos de conexão e os softwares específicos, de acordo com os
fabricantes dos sistemas. A estrutura é complementada por um tripé responsável
pela sustentação física do scanner (RIBEIRO JÚNIOR, 2011), como
representado na Figura 5.
33
4 MATERIAL E MÉTODOS
Os experimentos foram realizados no Centro de Desenvolvimento de
Instrumentação Aplicada à Agropecuária (CEDIA), no Laboratório de
Automação e Robótica, e na área experimental de campo do Departamento de
Engenharia, ambos localizados na Universidade Federal de Lavras (UFLA), no
município de Lavras, MG, localizada na latitude 21O 14’ 43” Sul, na longitude
44O 59’ 59” Oeste, a 919 m de altitude.
O presente trabalho foi dividido em quatro etapas, para o atendimento
dos objetivos propostos.
4.1 Calibração em laboratório da técnica de digitalização
A primeira etapa do experimento foi conduzida no Laboratório de
Óptica n° 4 do Centro de Desenvolvimento de Instrumentação Aplicada à
Agropecuária (CEDIA-UFLA).
Os materiais utilizados foram os seguintes:
a) câmera digital fotográfica Canon EOS 400D;
b) projetor Epson PowerLite S8+/W8+;
c) computador ACER (ASPIRE 5536), com os softwares Gerador de
Grades, Scilab, ImageJ;
d) mesa de madeira para a alocação do computador;
e) semiesfera com 12,5 cm de diâmetro e 3,9 cm de espessura;
f) tripé para os equipamentos;
g) cabos de alimentação e conectores.
34
Foi realizado um método de calibração para avaliar a melhor posição e a
visualização de uma calota pela técnica de moiré, buscando, por meio de vinte
posições deslocadas pela câmera, o melhor detalhamento do objeto em questão.
As posições foram espaçadas de 5 em 5 cm, a fim de descobrir o ângulo ideal, de
forma que a câmera captasse o objeto com a melhor uniformidade, visto que o
anteparo é fixo e a câmera é móvel, conforme mostrado na Figura 6.
Figura 6 Arranjo experimental do método de calibração da posição de uma calota, para a utilização da técnica de moiré de projeção. Vista superior (A) e vista lateral (B)
4.1.1 Pré-processamento
Coletadas as fotos, ocorreu o pré-processamento das imagens,
transformando a imagem em 8-bits (256 diferentes graduações de cinza) e
A B
35
diminuindo o tamanho das imagens de 1.936 x 1.288 pixels para 800 x 532
pixels, para salvá-las em formato TIFF.
A imagem de referência sofreu defasamento de 90˚, 180˚e 270˚, para
permitir a utilização do processamento de “Phase Shift”, resultando, assim, em
quatro imagens das grades de referência e uma grade sobre o objeto, atendendo à
necessidade do algoritmo que se encontra no anexo e como se pode observar na
Figura 7.
Fase = 0 pixels Fase = 8 pixels Fase = 16 pixels Fase = 24 pixels
Semiesfera fase = 0 pixels
Figura 7 Imagens das grades após o pré-processamento
4.1.2 Processamento
Esta etapa foi desenvolvida por meio do software gratuito Scilab 4.0,
com os programas que complementam sua interface gráfica, Image Magic e
Siptoolbox Versão 4.0 como biblioteca, também gratuitos, com o objetivo de
36
gerar o objeto recuperado, imagem que possibilita a visualização do modelo
digital de elevação.
O script utilizado no processamento se encontra no Anexo.
4.2 Teste em laboratório da técnica de digitalização com simulação em caixa
de solo com luz não estruturada
A segunda etapa do experimento foi conduzida no Laboratório de
Automação e Robótica da UFLA.
Os materiais utilizados para o trabalho foram:
a) câmera digital fotográfica Canon EOS 400D;
b) projetor Epson PowerLite S8+/W8+;
c) computador ACER (ASPIRE 5536), com os softwares Gerador de
Grades, Scilab, ImageJ;
d) mesa de madeira para a colocação do computador;
e) semiesfera com 12,5 cm de diâmetro e 3,9 cm de espessura;
f) pedaço de madeira em forma de paralelepípedo, com 19 cm de
comprimento, 9,6 cm de largura e 4,6 cm de altura;
g) caixa metálica com 51 cm de comprimento, 30,5 cm de largura e 6
cm de altura, contendo Latossolo Vermelho solto, com umidade de
28,8%, estrutura granular e textura argilosa;
h) tripé para os equipamentos;
i) cabos de alimentação e conectores.
Por meio de uma caixa de metal contendo solo (Latossolo), simulou-se,
com um pedaço de madeira em forma de paralelepípedo, a marca das garras de
37
um pneu do trator. A superfície do solo foi digitalizada conforme a Figura 8, sob
luz não estruturada (projetor).
Figura 8 Arranjo experimental da digitalização da simulação das marcas das garras do pneu do trator no solo, por meio da técnica de moiré de projeção
4.2.1 Pré-processamento
Coletadas as fotos, ocorreu o pré-processamento das imagens,
transformando a imagem em 8-bits (256 diferentes graduações de cinza) e
diminuindo o tamanho das imagens de 1.936 x 1.288 pixels, para 800 x 532
pixels, para salvá-las em formato TIFF.
A imagem de referência sofreu defasamento de 90˚, 180˚e 270˚, para
permitir a utilização do processamento de “phase shift”, resultando, assim, em
38
quatro imagens das grades de referência e uma grade sobre o objeto, conforme a
Figura 9.
Fase = 0 pixels
Fase = 8 pixels
Fase = 16 pixels
Fase = 24 pixels
Solo deformado Fase = 0 pixels
Figura 9 Imagens das grades após o pré-processamento
4.2.2 Processamento
Esta etapa foi desenvolvida por meio do software gratuito Scilab 4.0,
com os programas que complementam sua interface gráfica, Image Magic e
Siptoolbox Versão 4.0 como biblioteca, também gratuitos, com o objetivo de
gerar o objeto recuperado, imagem que possibilita a visualização do modelo
digital de elevação.
O script utilizado no processamento se encontra nos Anexos.
39
4.3 Teste em campo, com a luz não estruturada, para avaliar a distribuição
de carga no solo
A terceira etapa aconteceu na área de campo experimental do
Departamento de Engenharia da UFLA, em um Latossolo Vermelho, recém-
arado, com umidade de 28,8%, estrutura granular e textura argilosa.
Os materiais utilizados no trabalho foram:
a) câmera digital fotográfica Canon EOS 400D;
b) projetor Epson PowerLite S8+/W8+;
c) computador com os softwares Gerador de Grades, Scilab, Image J,
Image Magic, Microsoft Excel e Matlab;
d) calibrador de pneus Dresser Wayne Classe 0,6;
e) um trator Agrale, modelo T-4100, utilizando pneus Pirelli Chrono
185 R 15 C, na dianteira e Firestone Nylon 8.3/8-24, na traseira. As
três calibrações nos pneus dianteiro e traseiro foram de 110 (16,0) e
90 (13,0); 138 (20,0) e 124 (18,0); 83 (12,0) e 48 (7,0) kpa/(psi), nos
pneus do lado direito do trator. No lado esquerdo do trator, foram
sempre mantidas as pressões de 110 kPa (16,0 psi), no pneu
dianteiro e de 90 kPa (13,0 psi), no pneu traseiro. As pressões de
inflação indicadas pelo fabricante são de 110 kPa (16,0 psi), para o
pneu dianteiro e 90 kPa (13,0 psi), para o pneu traseiro, conforme a
representação esquemática da Figura 10.
40
Figura 10 Materiais utilizados na execução do experimento. (A) Locação da câmera digital e do projetor, (B) computador utilizado para a projeção das grades ou grids, (C) trator Agrale T-4100, (D) calibrador
4.3.1 Arranjo experimental
A câmera foi posicionada a 1,40 m do solo e o projetor, a 1,30 m do
solo, com distância relativa entre eles de 40 cm e 35 cm, como se observa no
esquema da Figura 11 (A) e (B). Projetaram-se as grades no solo com o auxílio
do software Gerador de Grids, como observado na Figura 11 (C).
41
Figura 11 (A) Planta mostrando a posição relativa entre a câmera digital e o projetor, em cm; (B) visão AA’, mostrando a altura em relação ao solo da câmera digital e do projetor, em cm; (C) projeção das grades ou grids no solo
O software Gerador de Grids foi calibrado da seguinte maneira: Passo =
32 pixels e espessura = 10 pixels e as 4 fases de acordo com a Figura 12,
conforme será visto a seguir.
42
Figura 12 Imagens das grades antes do pré-processamento
4.3.2 Pré-processamento
Coletadas as fotos, ocorre o pré-processamento das imagens no
programa Image J, da seguinte forma: transforma-se a imagem em 8-bits; logo, a
imagem é composta de 256 diferentes graduações de cinza. Diminui-se o
tamanho da imagem de 1.936 x 1.288 pixels para 800 x 532 pixels, para salvá-la
em formato TIFF.
4.3.3 Processamento
Esta etapa foi desenvolvida por meio do software gratuito Scilab 4.0,
com os programas que complementam sua interface gráfica, Image Magic e
Siptoolbox Versão 4.0 como biblioteca, também gratuitos.
O script utilizado no processamento se encontra nos Anexos.
43
4.4 Teste em laboratório com luz estruturada
A quarta etapa foi conduzida no laboratório de Automação e Robótica
da UFLA.
Os materiais utilizados nesta etapa foram os seguintes:
a) robô mecânico;
b) câmera digital fotográfica Canon EOS 400D;
c) projetor Epson PowerLite S8+/W8+;
d) computador ACER (ASPIRE 5536), com os softwares Gerador de
Grades, Scilab, ImageJ;
e) laser de He-Ne (632 nm e de 5 a 17 mW);
f) mesa de madeira para alocação do computador;
g) semiesfera com 12,5 cm de diâmetro e 3,9 cm de espessura;
h) toco de madeira com 19 x 9,6 x 1,4 (cm) de dimensões;
i) caixa metálica com 51 x 30,5 x 6 (cm) de dimensões, contendo
Latossolo Vermelho solto, com umidade de 28,8%, estrutura
granular e textura argilosa;
j) tripé para os equipamentos;
k) cabos de alimentação e conectores.
Usando uma célula robótica, fixou-se um laser emissor de linha em suas
garras. O braço do robô realizou deslocamentos controlados, de forma que a
linha percorresse uma caixa metálica contendo o solo, com marcas simuladas de
um pneu de trator através de um toco de madeira.
A representação esquemática da digitalização da simulação das marcas
das garras do pneu do trator no solo através da luz laser pode ser observada na
Figura 13.
44
Figura 13 Arranjo experimental da digitalização da simulação das marcas das garras do pneu do trator no solo através da luz laser
4.4.1 Pré-processamento
Coletadas as fotos, ocorreu o pré-processamento das imagens,
transformando a imagem em 8-bits (256 diferentes graduações de cinza) e
diminuindo o tamanho das imagens de 1.936 x 1.288 pixels para 800 x 532
pixels, para salvá-la em formato TIFF, como se observa na Figura 14.
Figura 14 Imagens das grades após o pré-processamento, fase 0 pixels
45
4.4.2 Processamento
Esta etapa foi desenvolvida por meio do software gratuito Scilab 4.0,
com os programas que complementam sua interface gráfica, Image Magic e
Siptoolbox Versão 4.0 como biblioteca, também gratuitos, com o objetivo de
gerar o objeto recuperado, imagem que possibilita a visualização do modelo
digital de elevação.
O script utilizado no processamento se encontra nos Anexos.
46
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
5.1 Calibração da posição de uma semiesfera para a utilização da técnica de
Moiré de projeção
Na Figura 15, é possível observar a iluminação de uma calota com as
grades de moiré, bem como os resultados de sua digitalização com vistas de
topo, de perfil e em três dimensões.
Figura 15 Projeção das grades sobre a calota (A), objeto recuperado (B), gráfico em pixels da calota (C) e digitalização da calota (D)
(...continua...)
A
48
Através dos valores reais das medidas da calota, foram realizadas
correções do objeto digitalizado, transformando suas dimensões em milímetros,
como se pode verificar na Figura 15 (D).
Esta técnica de correção das imagens utilizando um objeto conhecido foi
apresentada por Gomes (2005) e passou a ser utilizada para a correção das
imagens de objetos, neste caso da superfície do solo, e assim calibrá-las e
transformá-las em milímetros.
Uma limitação da técnica pode ser observada na Figura 15(C), em que o
perfil da calota apresenta uma deformação em relação ao seu aspecto original
(Figura 16).
D
49
Figura 16 Deformação da calota referente ao aspecto original
Esta deformação deve-se à perspectiva necessária para a digitalização,
com a câmera sendo posicionada com um ângulo de 49,76˚, saindo da linha
perpendicular ao objeto, bem como é devido às bordas da calota, que fazem um
ângulo muito grande em relação ao solo em que foram posicionadas. Isto seria
um obstáculo se o objeto a ser estudado precisasse ser reproduzido com
fidelidade geométrica, contudo, no solo, a suavidade das deformações evita
transições bruscas como na calota, bem como o mais relevante é observar a
integridade da deformação e não seu formato exato.
Por meio de vinte deslocamentos realizados pela câmera, conforme a
Figura 6(A), verifica-se que a calota colocada na posição extra 2 foi mais bem
reproduzida digitalmente ao se utilizar a técnica de moiré, encontrando um
ângulo de 49,76˚ e um ajuste de altura para a câmera e o projetor, detalhando a
superfície em questão. Esta configuração foi utilizada nos experimentos com o
solo.
50
5.2 Digitalização da simulação das marcas das garras do pneu do trator no
solo por meio da técnica de moiré de projeção
Na Figura 17 é possível observar a iluminação de um pedaço de madeira
(A) e do solo deformado (B), ambos com as grades de moiré projetadas sobre os
mesmos, bem como os gráficos e as digitalizações do objeto e do solo em três
dimensões, sendo em (A), a projeção das grades sobre um pedaço de madeira;
em (B), a projeção das grades sobre o solo deformado; em (C), o objeto
recuperado referente ao pedaço de madeira; em (D), o objeto recuperado do solo
deformado; em (E), o gráfico do pedaço de madeira; em (F), o gráfico do solo
deformado; em (G), a digitalização do pedaço de madeira e em (H), a
digitalização do solo deformado.
Figura 17 Apresenta as digitalizações do pedaço de madeira e do solo Com os valores reais das medidas do pedaço de madeira, foram realizadas correções para transformar as dimensões em milímetros, como se observa nas Figuras 17(G) e 17(H)
(...continua...)
B A
52
Como, no solo, a suavidade das deformações evita transições bruscas, o
objetivo é observar a integridade da deformação e não seu formato exato, o que
é apresentado na Figura 17(H).
Na Figura 17 visualiza-se a potencialidade da técnica ao trabalhar com
solo, visto que as deformações digitalizadas ficaram bem nítidas, mostrando o
aprofundamento das garras devido ao esforço provocado por um pedaço de
madeira (simulando um pneu e suas garras), abrindo possibilidades e
expectativas para a aplicabilidade no campo.
5.3 Análise qualitativa e quantitativa da distribuição da carga do trator no
solo, utilizando a técnica de moiré
5.3.1 Calibração normal
Com os pneus do trator Agrale T-4100 calibrados de acordo com o
fabricante, 90 kPa (13,0 psi) na traseira, obteve-se desvio padrão em relação à
imagem de 1,15 mm, relativamente pequeno em relação às condições de
calibração insuficiente e excessiva, indicando que toda a banda de rodagem foi
utilizada na transferência de peso do trator para o solo. Na Figura 18 (A) pode
ser observado o objeto recuperado de uma calota e, na Figura 18 (B), o objeto
recuperado do solo deformado.
53
Figura 18 Apresenta o objeto recuperado da calota (A); em (B), o objeto recuperado do solo deformado; em (C), o gráfico da calota e em (D), o gráfico do solo deformado pelo pneu do trator com calibração normal
O modelo digital de elevação do objeto de referência para ser
comparado posteriormente com o solo deformado pode ser observado na
Figura 19.
B
D
A
C
54
Figura 19 Modelo digital de elevação de uma calota para a calibração normal do trator Agrale T-4100
Na Figura 20 apresenta-se a deformação provocada pelo pneu do trator
no solo, em calibração normal. Verifica-se que a distribuição de carga foi
uniforme, assim como a utilização da banda de rodagem do pneu.
Figura 20 Modelo digital de elevação do solo deformado pelo trator Agrale T-4100 com calibração normal
55
A área em que o solo foi deformado pode ser observada na Figura 21
(A). Na Figura 21 (B) apresenta-se o histograma com um pico bem definido, o
que indica que esta superfície está bem suavizada.
Figura 21 (A) Seleção da área do objeto recuperado para a análise dos dados do trator Agrale T-4100 com a calibração recomendada pelo fabricante; (B) histograma mostrando a frequência de cada tom da escala de cinza para o trator Agrale T-4100, com a calibração recomendada pelo fabricante
5.3.2 Calibração excessiva
Quando o pneu do trator foi calibrado com 124 kPa (18,0 psi) na
traseira, obteve-se um desvio padrão maior, comparado com a calibração
normal, apresentando um valor de 2,27 mm.
Na Figura 22 (A) observa-se o objeto recuperado de uma calota e, na
Figura 22 (B), o objeto recuperado do solo deformado.
56
Figura 22 Apresenta o objeto recuperado da calota (A); em (B), o objeto recuperado do solo deformado; em (C), o gráfico da calota e em (D), o gráfico do solo deformado pelo pneu do trator com calibração excessiva
Na Figura 23 mostra-se o modelo digital de elevação do objeto de
referência, para ser comparado posteriormente com o solo deformado.
B
D
A
C
57
Figura 23 Modelo digital de elevação de uma calota para a calibração excessiva do trator Agrale T-4100
O rastro do pneu do trator Agrale mostrou alguns ‘buracos’ na parte
média da banda de rodagem. Isso se deu porque, na situação de pressão
excessiva, a concentração de peso se dá no meio da banda de rodagem e, pelo
fato de o lado direito do trator estar com calibrações diferentes em relação ao
lado esquerdo, surgiu o fenômeno de “galope”, já que rodas com calibrações
diferentes têm o raio de rodagem diferente e causam um desequilíbrio no eixo,
resultando nestes ‘buracos’ devido à oscilação do trator, como mostra o modelo
digital de elevação da Figura 24.
58
Figura 24 Modelo digital de elevação do trator Agrale T-4100 com calibração excessiva, mostrando o fenômeno de power hop
Na Figura 25 (A) apresenta-se a superfície do solo deformado e, na
Figura 25 (B), o histograma com um pico bem concentrado na região central, o
que indica que esta superfície está com deformações localizadas.
Figura 25 (A) Região dos dados selecionados no objeto recuperado; 25 (B) histograma mostrando a frequência dos diferentes tons de cinza para o trator Agrale com calibração excessiva
“Power hop” ou “galope”
59
5.3.3 Calibração insuficiente
Na condição de calibração insuficiente, o desvio padrão obtido foi de
6,13 mm, quando calibrado com pressão de 55,2 kPa (7,0 psi) na traseira,
indicando alta variabilidade de profundidade no rastro. O problema de falta de
peso continua para a situação de calibração insuficiente, pois o trator é leve e
não se percebem as garras do rodado impressas no solo, devido ao alto índice de
deslizamento.
Esta situação obteve o maior desvio padrão das três situações, devido ao
fato de, na calibração insuficiente, as partes mais solicitadas serem as laterais da
banda de rodagem. Este fato faz com que a dispersão das profundidades sejam
maiores, pois existem duas regiões com maior profundidade e uma zona de
transição entre elas.
Na Figura 26 (A) pode ser observado o objeto recuperado de uma calota
e na Figura 26 (B), o objeto recuperado do solo deformado.
60
Figura 26 Apresenta o objeto recuperado da calota (A); em (B), o objeto recuperado do solo deformado; em (C), o gráfico da calota e em (D), o gráfico do solo deformado pelo pneu do trator com calibração excessiva
O modelo digital de elevação do objeto de referência, para ser
comparado posteriormente com o solo deformado, pode ser observado na
Figura 27.
B
D
A
C
61
Figura 27 Modelo digital de elevação de uma calota para a calibração insuficiente do trator Agrale T-4100
Como, em um dos lados do trator, foi mantida a calibração recomendada
pelo fabricante, no outro lado, com a calibração insuficiente, ocorreu o
fenômeno de power hop na lateral externa. Na lateral interna houve um excesso
de solicitação, pois esta região funcionou como o apoio de uma gangorra,
enquanto as outras regiões de apoio oscilavam, como se verifica na Figura 28.
62
Figura 28 Modelo digital de elevação do trator Agrale T-4100 com calibração insuficiente, destacando, na região externa do pneu, o fenômeno de power hop e, na região interna do pneu, uma concentração excessiva da pressão de apoio
Na Figura 29 (A) é possível observar a superfície do solo deformado,
enquanto, na Figura 29 (B), mostra-se o histograma com picos concentrados na
região lateral.
“Power hop” ou “galope”
Região de apoio da “gangorra”
63
Figura 29 (A) Região selecionada para a análise dos dados; 29 (B) histograma para o trator Agrale com pressões de 117,2 kPa (12,0 psi) e 55,2 kPa (7,0 psi) no pneus dianteiros e traseiros do lado direito do trator
5.3.4 Comparação entre as diferentes calibrações
Na Figura 30 observa-se como variou a dispersão dos formatos de sulcos
em diferentes calibrações A pressão de insulflagem de 82,7 kPa (13,0 psi) na
traseira, calibração recomendada pelos fabricantes, obteve menor desvio padrão,
de 1,15 mm, indicando uma melhor distribuição da pressão de apoio, como era
esperado. Com a calibração excessiva de 124,1 kPa (18,0 psi) na traseira, houve
um desvio padrão de 2,27 mm, indicando um rastro mais disperso que na
situação anterior, como esperado. O maior desvio padrão, de 6,13 mm, para a
situação de calibração insuficiente, 55,2 kPa (7,0 psi), na traseira, também era
esperado, já que existem duas regiões em que a pressão de apoio é maior e uma
zona de transição entre elas, formando um sulco mais disperso que em outras
situações.
64
Figura 30 Curva mostrando como foi a variação do desvio padrão com a pressão de inflação dos rodados traseiros
5.4 Digitalização da simulação das marcas das garras do pneu do trator no
solo por meio da luz laser
Na Figura 31, é possível observar a iluminação de um pedaço de
madeira e do solo deformado, ambos com linhas de um laser projetadas, bem
como os gráficos e as digitalizações do objeto e do solo, em três dimensões.
65
Figura 31 Apresenta em (A), a projeção das linhas laser sobre o pedaço de
madeira; em (B), a projeção das linhas laser sobre o solo deformado; em (C), o objeto recuperado de um pedaço de madeira; em (D), o gráfico do pedaço de madeira; em (E), a digitalização do pedaço de madeira e, em (F), a digitalização por um scanner laser do solo deformado
(...continua...)
D
A B
C
66
Com os valores reais das medidas do pedaço de madeira, foram
realizadas correções, de forma que o objeto ficasse com suas dimensões em
milímetros.
Na Figura 31(D) apresenta-se o gráfico do pedaço de madeira,
mostrando uma superfície bem próxima à do objeto real, proporcionando uma
confiabilidade para calibrar a imagem referente ao solo deformado. Nas Figuras
31(E) e (F) apresentam-se as digitalizações do pedaço de madeira e do solo
(F)
(E)
67
deformado, ambos em três dimensões, transformados em milímetros, mostrando
a eficiência e a potencialidade da técnica ao se aplicar a esse tipo de objeto.
A deformação deve-se à perspectiva necessária para a digitalização,
com a câmera sendo posicionada com um ângulo de 49,76˚ saindo da linha
perpendicular ao objeto, com o objetivo de captar informações referentes ao
eixo Z.
Como, no solo, a suavidade das deformações evita transições bruscas
como na calota, o mais relevante é observar a integridade da deformação e não
seu formato exato.
Por meio do equipamento scanner laser, percebe-se a qualidade visual
proporcionada pelas imagens, devido ao grau de detalhamento de que o laser
pode dispor e a sua eficiência ao contornar a superfície do solo deformado,
superando nossas expectativas e alimentando ideias para a aplicabilidade no
campo.
68
6 CONCLUSÃO
O potencial do uso da técnica de moiré aplicada ao solo mostrou-se
ampla e promissora, ao analisarem-se as quatro etapas propostas pelo
experimento, sendo o objetivo central do trabalho uma análise qualitativa.
Dispomos da capacidade de observar fenômenos, como a distribuição de pressão
e de lastro, o galope e a patinagem, fatores estes que não estavam em primeiro
plano, mas devido à potencialidade da técnica, tivemos a capacidade de inferir
um pouco sobre esses assuntos.
A técnica desenvolvida apresentou algumas limitações, como a
disposição de equipamentos e a luminosidade, fatores preponderantes a serem
controlados para ser ter uma boa resposta.
Os mapas e os gráficos das superfícies do solo mostraram os esforços
que os pneus do trator, com diferentes calibrações, podem ocasionar ao solo,
como uma radiografia apta a diversos questionamentos.
O laser mostrou ser mais eficiente comparado à luz do projetor para o
estudo em questão, devido ao melhor detalhamento e contorno da superfície do
solo, porém, sua aplicação só foi possível no ambiente laboratorial, deixando
desafios futuros neste campo de trabalho.
69
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75
ANEXOS
Anexo 1 Imagens dos experimentos
A – Digitalização de uma calota – posição 01
Na Figura 32 apresenta-se a digitalização de uma calota na posição 01,
conforme o arranjo experimental.
Figura 32 Digitalização de uma calota na posição 01, conforme o arranjo experimental
76
Percebe-se que o objeto não foi capturado nessa posição, perdendo
muita informação.
A – Digitalização de uma semi esfera – posição 02
Na Figura 33 apresenta-se a digitalização de uma calota na posição 02,
conforme o arranjo experimental.
Figura 33 Digitalização de uma calota na posição 02, conforme o arranjo experimental
77
Percebe-se que, nessa configuração, o objeto não está sendo detalhado
pela técnica, perdendo, novamente, muita informação.
A – Digitalização de uma semiesfera – posição 03
Na Figura 34 apresenta-se a digitalização de uma calota na posição 03,
conforme o arranjo experimental.
Figura 34 Digitalização de uma calota na posição 03, conforme o arranjo experimental
78
Percebe-se o aumento na qualidade da informação, porém, não
satisfatório.
A – Digitalização de uma semiesfera – posição 04
Na Figura 35 apresenta-se a digitalização de uma calota na posição 04,
conforme o arranjo experimental.
Figura 35 Digitalização de uma calota na posição 04, conforme o arranjo experimental
79
A posição 04 já mostra os indícios da calota.
B – Calibração da calota
Procedimentos:
• Deve-se retirar informações das dimensões, em pixels, do gráfico
gerado no Imag J.
• Por meio de uma simples regra de três, encontrou-se a nova
dimensão da imagem agora ajustada em (mm).
• A imagem será redimensionada com as medidas ajustadas.
• Introduz-se no Matlab a imagem, de forma a corrigir a posição no
eixo x, com o seguinte comando:
a=imread('C:\Users\diego\Desktop\Novapasta\o22.tif');
>> b = (46/255)*a;
>> b=double(b);
>> mesh(b)
• Agora, tem-se a imagem, gerada em milímetros, em 3D.
Dimensões da calota:
Diâmetro= 125 mm = 280 pixels
Espessura= 39 mm = 255 pixels
C – Calibrações do toco de madeira no solo
Procedimentos:
• Deve-se retirar informações das dimensões em pixels do gráfico
gerado no Imag J.
80
• Por meio de uma simples regra de três, encontra-se a nova dimensão
da imagem, agora ajustada em mm.
• A imagem será redimensionada com as medidas ajustadas.
• Introduz-se no Matlab a imagem, de forma a corrigir a posição no
eixo x, com o seguinte comando:
a=imread('C:\Users\diego\Desktop\or\or277.tif');
>> b = (46/255)*a;
>> b=double(b);
>> mesh(b)
• Agora tem-se a imagem, gerada em milímetros, em 3D.
Dimensões do toco de madeira:
X= 190 mm = 240 pixels
Y= 96 mm = 193 pixels
Z= 46 mm = 255 pixels
Como o solo foi o mesmo, serão aplicadas as mesmas dimensões na
imagem em relação a X e Y e o programa Matlab ajustará o eixo Z.
81
Algoritmo com a utilização do Phase shift
stacksize(4e7);
chdir('C:\Moiré');
//****************Ler imagens das grades********************
Grade1 = gray_imread('ImagemFase0.tif');
Grade2 = gray_imread('ImagemFase8.tif');
Grade3 = gray_imread('ImagemFase16.tif');
Grade4 = gray_imread('ImagemFase24.tif');
//******************* Face1
********************************
Objeto11 = gray_imread('ImagemSoloDeformado.tif'); // imagem com
grades
//Subtrair imagem do objeto das imagens das grades
s1 = abs(Objeto11-Grade1);
s2 = abs(Objeto11-Grade2);
s3 = abs(Objeto11-Grade3);
s4 = abs(Objeto11-Grade4);
//Remover grades : Filtro Gaussiano
Moire1 = gsm2d(s1,42);
Moire2 = gsm2d(s2,42);
82
Moire3 = gsm2d(s3,42);
Moire4 = gsm2d(s4,42);
//Criar uma imagem para cada filtro gaussiano
imwrite(Moire1,'Moire1.jpg');
imwrite(Moire2,'Moire2.jpg');
imwrite(Moire3,'Moire3.jpg');
imwrite(Moire4,'Moire4.jpg');
//Gerar 3D de uma face
a = imphase('bucket4a',0,Moire1,Moire2,Moire3,Moire4);
Empacotada = normal(a); //Phase shifting
Topo = unwrapl(Empacotada);
Topo_normal = 255*normal(Topo); //tava normalizada mas multiplicou
por 255 tons de cinza
//Topo_normal = Topo;
Topo_normal = gsm2d(Topo_normal,20); //Suavização Gaussiana
- remover ruídos
filtro = mkfilter('circular-mean',15); //Remove ruídos
//Topo_normal = imconv(Topo_normal, filtro);
//Topo_normal = Corte1.*Topo_normal;
//X=57.2*Topo_normal(1,:);
//Y=39.796*Topo_normal(2,:);
//Z=77.428*Topo_normal(3,:);
83
imwrite(normal(Topo_normal),'objeto_recuperado.bmp');
//Invertendo a imagem
Topo_normal=Topo_normal - (min(Topo_normal));
Topo_normal= (Topo_normal / max(Topo_normal))*255;
//savematfile ('Z.txt', '-ascii', 'Topo_normal(:,:)');
xset("window",2);
xbasc();xselect();plot3d1(1:3:size(Topo_normal,'r'),1:3:size(Topo_normal,'c'),To
po_normal(1:3:$,1:3:$));
////=================================================
=
//// Comandos para capturar parte de uma matriz by: Tadayuki
//
//// Coordenadas a serem recortadas
//i1=50;
//i2=1000;
//j1=50;
//j2=1000;
////===================================
//i3=i1-1;
//j3=j1-1;
////===================================
//
////Mc=0;
//
//DeltaX=1;
//DeltaY=1;
84
//DeltaZ=1;
//
//
//for i = i1:i2, for j = j1:j2, Topo_normal2(i-i3,j-
j3)=Topo_normal(i,j)*DeltaZ; end; end
//for i = i1:i2, for j = j1:j2, I(i-i3,j-j3)=(i-i3)*DeltaX; end; end
//for j = j1:j2, for i = i1:i2, J(i-i3,j-j3)=(j-j3)*DeltaY; end; end
//
//savematfile ('Z.txt', '-ascii', 'Topo_normal(:)');
//savematfile ('X.txt', '-ascii', 'I(:)');
//savematfile ('Y.txt', '-ascii', 'J(:)');
//
//xset("window",2);
xbasc();xselect();plot3d1(1:2:size(Topo_normal2,'r'),1:2:size(Topo_normal2,'c'),
Topo_normal(1:2:$,1:2:$));
//
D – Algoritmo sem a utilização do Phase shift
stacksize(4e7); chdir('C:\Users\user\Desktop\MoireDiego\06 02 2013\LuzProjetor\Ajuste'); //******************Ler imagens da grade************************* Grade1 = gray_imread('referencia.tif'); //********************* Face1 *********************************** Objeto11 = gray_imread('trator.tif'); // imagem com grade //Subtrair imagem do objeto da imagem da grade
85
s1 = abs(Objeto11-Grade1); //Remover grades : Filtro Gaussiano Moire1 = gsm2d(s1,0); imwrite(Moire1,'Moire 2 5.jpg'); Topo_normal = 255*normal(Moire1); Topo_normal = gsm2d(Topo_normal,25); //Suavisacao Gaussiana -
remover ruidos filtro = mkfilter('circular-mean',15); //Remove ruidos Topo_normal = imconv(Topo_normal, filtro); imwrite(normal(Topo_normal),'objeto_recuperado 1g.bmp'); Topo_normal=Topo_normal; //Invertendo a imagem xset("window",1); xbasc();xselect();plot3d1(1:3:size(Topo_normal,'r'),1:3:size(Topo_normal,'c'),Topo_normal(1:3:$,1:3:$)); // 1:4 só modifica a visualização do gráfico